65WのPD急速充電GaNチャージャーをオープンソース化。DK8607AD電源チップを採用し、アクティブクランプフライバック（ACF）トポロジーを実装。IP6538-AC-65W + XPM52CDP65対応。
資料のダウンロード先は記事末尾に記載！
実物写真
GaNフライバック電源基板（表裏） と DCDC急速充電サブボード（表面） の写真：
DCDC急速充電サブボード（裏面） の写真：
プロジェクト説明
本プロジェクトは、GaNフライバック電源基板（24V/3A） と 65W急速充電DCDCサブボード から構成されています。
急速充電サブボードには2つの設計案を用意しています：
- IP6538-AC-65Wチップ：Buck降圧方式、内蔵MOSFET、A+Cポート対応
- XPM52CDP65チップ：Buck降圧方式、内蔵MOSFET、単一Type-Cポート対応
GaNフライバック電源基板の設計案は以下の通りです：
- プライマリ側：東科（DK）社のDK8607AD電源チップを使用。内蔵GaNトランジスタ×2個搭載、最大スイッチング周波数1MHz。
- セカンダリ側：HBR20200P5ショットキーダイオードによる整流、またはUCC24612+HSBB15N15Sによる同期整流を採用。実装時にどちらか一方を選択して実装可能。
実はこのプロジェクトは失敗作です。GaNフライバック電源基板が正常に動作せず、しかし65W DCDC急速充電サブボードは問題なくテストできました。公開して皆様のご意見を伺いたいと思います。どこに問題があるのか教えていただけますでしょうか？
電源基板は合計4枚を実装しました。以下にそれぞれの問題点を簡単に説明します：
- 1枚目：通電しても起動せず、出力なし。補助巻線にも電圧なし。入力電力は約0.5W
- 2枚目：通電直後にDK8607ADチップが破損し、入力部が短絡状態に
- 3枚目：通電しても起動せず、入力電力約0.5W、補助巻線に電圧なし。ただし市販電源を切断する瞬間に一時的に起動し、補助巻線の整流・平滑後で約15Vの電圧が数十マイクロ秒間発生したが、その後電圧が低下し、DK8607ADチップが破損
- 4枚目：通電直後にDK8607ADチップと電流検出抵抗が破損。破損後は断線状態
チップ破損後の基板写真：
トランスパラメータと実測データ
SMPSKitソフトウェアを使用して計算。ソフトウェアダウンロード先：https://bbs.eeclub.top/t/smpskit/196
トランス計算結果のスクリーンショット：
トランスフレームはPQ2020、一次コイルインダクタンス63μH。巻線仕様は下記の通り：
| 巻線層 | 端子番号 | 巻線仕様 | 匝数 | 巻き方 |
|---|---|---|---|---|
| 第1層 | 1-2 | Φ0.2mm×7（リッツ線） | 6 | スキャッタ巻き |
| 第2層 | 5-6 | Φ0.2mm×7（リッツ線） | 2 | スキャッタ巻き |
| 第3層 | 10-12 | Φ0.2mm×20（リッツ線） | 3 | スキャッタ巻き |
| 第4層 | 2-3 | Φ0.2mm×7（リッツ線） | 6 | スキャッタ巻き |
トランス製作仕様書（図）：
トランス巻線完了後の実測一次インダクタンス：69.576μH
一次側漏れインダクタンス：1.2μH（やや大きめ。手巻きのため巻き方が不十分だった可能性あり）
DCDC急速充電サブボードのテスト
XPM52CDP65
XPM52Cは、同期整流スイッチ内蔵の降圧コンバータで、複数の急速充電プロトコルに対応。USB Type-CおよびPDプロトコル、Qualcomm QC 2.0/3.0/3.0+、Huawei FCP/SCP/HVSCP、VOOC 2.0/4.0、MediaTek PE、Samsung AFC、USB BC1.2 DCP、Apple 2.4A充電規格などに対応。カーチャージャーや各種急速充電アダプタ、スマートタップなどの電源装置向けの包括的ソリューションを提供。VIN入力電圧を自動認識し、それに応じて出力電圧を調整可能。内蔵パワーMOSFETにより、最大入力電圧31V、出力電圧範囲3.3V～21V、最大出力65Wを実現。識別された急速充電プロトコルに基づき、自動で出力電圧・電流を調整。出力はCV（定電圧）/CC（定電流）特性を持ち、出力電流が設定値未満ならCVモード、設定値以上ならCCモードに切り替わり、出力電圧が低下。また、出力電流増加時にケーブルの電圧降下を補償するため、出力電圧を自動上昇させるラインコンペンセーション機能を搭載。さらに、独自のXPD-LINK通信技術を統合しており、複数のType-Cポートを柔軟に制御可能。再書き込み対応でオンラインアップグレードも可能。保護機能として、入力過電圧・低電圧保護、出力短絡・過電流保護、過温度保護を備える。パッケージはQFN4x4-16L。
急速充電プロトコルテスト結果：
実測で確認できたプロトコルは以下の通り：PD3.0 FIX 65W、PPS 63W、QC2 20V、QC3 20V、QC3.0+、QC4+、QC5、FCP 12V、AFC 9V、iP 2.4A。
使用したUSB電流計：瑞垦X3 https://s.click.taobao.com/575iCMn
負荷テスト：入力電圧24V、PD誘導出力20V、電子負荷を3.3Aに設定。実測出力67.74W、入力70.8W、変換効率95.65％。良好な性能。
最大出力時のサーモグラフィ画像：チップ最高温度約90.3℃（小型ヒートシンク装着済み）
IP6538
IP6538は、同期整流スイッチ内蔵の降圧コンバータで、14種類の急速充電プロトコルに対応。Type-C出力およびUSB PD2.0/PD3.0(PPS)プロトコルをサポートするデュアルポートSOC IC。カーチャージャー、急速充電アダプタ、スマートタップ向けの包括的ソリューションを提供。デュアルUSB Type-C、USB Type-C＋USB A、またはデュアルUSB A出力に対応。自動挿抜検出機能を内蔵。いずれか一つのポートのみ使用時は急速充電出力可能。両方のポート同時使用時は、両ポートとも5V出力、合計出力5V/4.8A。内蔵パワーMOSFET、入力電圧範囲8.2V～32V、出力電圧範囲3V～20V。
急速充電プロトコルテスト結果：
実測で確認できたプロトコルは以下の通り：PD3.0 FIX 65W、PPS 63W、QC2 20V、QC3 20V、QC4+、QC5、PE1.1、PE2.0、iP 2.4A。
負荷テスト：入力電圧24V、PD誘導出力20V、電子負荷を2.7Aに設定。実測出力55.41W、入力57.35W、変換効率96.62％。
2.7A以上の電流をかけると保護回路が作動してしまう原因について、設計ミスか、あるいは今回のチップの個体差によるものか不明です。同じ回路図を使った別のプロジェクトではこの問題が発生していません。140W+65Wの昇降圧PD3.1急速充電モジュール（2C+1Aポート）、IP6557+IP6538：https://blog.zeruns.com/archives/801.html
最大出力時のサーモグラフィ画像：チップ最高温度約87.6℃（ヒートシンクなし）
回路図
GaNフライバック電源基板
XPM52CDP65急速充電サブボード
IP6538急速充電サブボード
PCBレイアウト
GaNフライバック電源基板
XPM52CDP65急速充電サブボード
IP6538急速充電サブボード
部品購入先
本プロジェクトで使用した一部部品の購入先は以下の通りです：- 0402/0603抵抗・コンデンササンプル帳：https://s.click.taobao.com/3rAjyQn
- SMTステンシル：https://s.click.taobao.com/EMrr8Gn
- PQ2020磁芯とフレーム：https://s.click.taobao.com/DLPE8Gn
- MSB40M：https://s.click.taobao.com/ToQ68Gn
- NTC 5D-7：https://s.click.taobao.com/LrD08Gn
- XPM52CDP65：https://s.click.taobao.com/8r3VxQn
- リッツ線：https://s.click.taobao.com/IuyT7Gn
- チップ型固体コンデンサ：https://s.click.taobao.com/xylswQn
立創商城（LCSC）での部品購入をおすすめします：https://activity.szlcsc.com/invite/D03E5B9CEAAE70A4.html
立創オープンソースリンク内のBOM表から「すぐにLCSCで注文」を選択すると、必要な部品を一括してカートに追加できます。
資料ダウンロード先
資料内容：立創EDAプロジェクトファイル、回路図PDF、SMPSKitソフトウェア、使用チップのデータシート、はんだ付け支援用（インタラクティブBOM）、トランス仕様書、Gerberファイル、3枚一組のPCB用ステンシルファイル（10×10cm以内、タオバオでステンシル作成 約15元）。
- 123クラウドディスク：https://www.123865.com/s/2Y9Djv-MaddH
- 百度網盤：https://pan.baidu.com/s/1yrOYifFEItxbd1aHXmoq4A?pwd=6k1n 解凍パスワード: 6k1n
- 立創オープンソースプラットフォーム：https://oshwhub.com/zeruns/pd65w-gallium-nitride-charger
電子回路/マイコン技術交流QQグループ： 2169025065
eeClub - 電子エンジニアコミュニティ: https://bbs.eeclub.top/
オープンソースプロジェクトのおすすめ- 三相電力測定器をオープンソースで公開しました。家庭の電気使用量を簡単に監視できます：https://blog.zeruns.com/archives/771.html
- STM32ベースの同期整流Buck-Boostデジタル電源 オープンソース：https://blog.zeruns.com/archives/791.html
- LM25118 自動昇降圧可変DCDC電源モジュール：https://blog.zeruns.com/archives/727.html
- CH32V307ベースのスマート電子負荷 オープンソース、組み込みコンテスト作品の公開：https://blog.zeruns.com/archives/785.html
- EG1151 大電力同期整流可変昇降圧電源モジュール（TypeC PD急速充電入力対応）オープンソース：https://blog.zeruns.com/archives/794.html
- オープンソース 140W+65W 昇降圧PD3.1急速充電モジュール（2C+1Aポート）、IP6557+IP6538搭載、205Wデスクトップ充電器：https://blog.zeruns.com/archives/801.html
- オープンソースTypeCドック、4つの10Gbps USBAポート＋2.5Gネットワークカード＋カードリーダー搭載：https://blog.zeruns.com/archives/868.html
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